電力拖動自動控制系統(tǒng)課件三二

第8章同步電動機(jī)變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)

電力拖動自動控制系統(tǒng)內(nèi)容提要

同步電動機(jī)變壓變頻調(diào)速的特點及其基本類型他控變頻同步電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)自控變頻同步電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)8.1同步電動機(jī)變壓變頻調(diào)速的特點

及其基本類型

本節(jié)提要概述同步調(diào)速系統(tǒng)的類型同步調(diào)速系統(tǒng)的特點1.概述同步電動機(jī)歷來是以轉(zhuǎn)速與電源頻率保持嚴(yán)格同步著稱的。只要電源頻率保持恒定，同步電動機(jī)的轉(zhuǎn)速就絕對不變。

采用電力電子裝置實現(xiàn)電壓-頻率協(xié)調(diào)控制，改變了同步電動機(jī)歷來只能恒速運行不能調(diào)速的面貌。起動費事、重載時振蕩或失步等問題也已不再是同步電動機(jī)廣泛應(yīng)用的障礙。同步電機(jī)的特點與問題優(yōu)點：（1）轉(zhuǎn)速與電壓頻率嚴(yán)格同步；（2）功率因數(shù)高到1.0，甚至超前；存在的問題：（1）起動困難；（2）重載時有振蕩，甚至存在失步危險；

解決思路問題的根源：供電電源頻率固定不變。解決辦法：采用電壓-頻率協(xié)調(diào)控制，可解決由固定頻率電源供電而產(chǎn)生的問題。例如對于起動問題：通過變頻電源頻率的平滑調(diào)節(jié)，使電機(jī)轉(zhuǎn)速逐漸上升，實現(xiàn)軟起動。對于振蕩和失步問題：由于采用頻率閉環(huán)控制，同步轉(zhuǎn)速可以跟著頻率改變，于是就不會振蕩和失步了。2.同步調(diào)速系統(tǒng)的類型（1）他控變頻調(diào)速系統(tǒng)用獨立的變壓變頻裝置給同步電動機(jī)供電的系統(tǒng)。（2）自控變頻調(diào)速系統(tǒng)

用電動機(jī)本身軸上所帶轉(zhuǎn)子位置檢測器或電動機(jī)反電動勢波形提供的轉(zhuǎn)子位置信號來控制變壓變頻裝置換相時刻的系統(tǒng)。

3.同步調(diào)速系統(tǒng)的特點（1）交流電機(jī)旋轉(zhuǎn)磁場的同步轉(zhuǎn)速1與定子電源頻率f1有確定的關(guān)系異步電動機(jī)的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速總是低于同步轉(zhuǎn)速的，二者之差叫做轉(zhuǎn)差s

；同步電動機(jī)的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速等于同步轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)差s=0。

（8-1）

同步調(diào)速系統(tǒng)的特點（續(xù)）（2）異步電動機(jī)的磁場僅靠定子供電產(chǎn)生，而同步電動機(jī)除定子磁動勢外，轉(zhuǎn)子側(cè)還有獨立的直流勵磁，或者用永久磁鋼勵磁。（3）同步電動機(jī)和異步電動機(jī)的定子都有同樣的交流繞組，一般都是三相的，而轉(zhuǎn)子繞組則不同，同步電動機(jī)轉(zhuǎn)子除直流勵磁繞組（或永久磁鋼）外，還可能有自身短路的阻尼繞組。（4）異步電動動機(jī)的氣隙隙是均勻的的，而同步步電動機(jī)則則有隱極與與凸極之分分，隱極式式電機(jī)氣隙隙均勻，凸凸極式則不不均勻，兩兩軸的電感感系數(shù)不等等，造成數(shù)數(shù)學(xué)模型上上的復(fù)雜性性。但凸極極效應(yīng)能產(chǎn)產(chǎn)生平均轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩，單靠靠凸極效應(yīng)應(yīng)運行的同同步電動機(jī)機(jī)稱作磁阻阻式同步電電動機(jī)。同步調(diào)速系系統(tǒng)的特點點（續(xù)）（5）異步電動動機(jī)由于勵勵磁的需要要，必須從從電源吸取取滯后的無無功電流，，空載時功功率因數(shù)很很低。同步步電動機(jī)則則可通過調(diào)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子的的直流勵磁磁電流，改改變輸入功功率因數(shù)，，可以滯后后，也可以以超前。當(dāng)當(dāng)cos=1.0時，電樞銅銅損最小，，還可以節(jié)節(jié)約變壓變變頻裝置的的容量。同步調(diào)速系系統(tǒng)的特點點（續(xù)）（6）由于同步步電動機(jī)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子有獨立立勵磁，在在極低的電電源頻率下下也能運行行，因此，，在同樣條條件下，同同步電動機(jī)機(jī)的調(diào)速范范圍比異步步電動機(jī)更更寬。（7）異步電動動機(jī)要靠加加大轉(zhuǎn)差才才能提高轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩，而同同步電機(jī)只只須加大功功角就能增增大轉(zhuǎn)矩，，同步電動動機(jī)比異步步電動機(jī)對對轉(zhuǎn)矩擾動動具有更強(qiáng)強(qiáng)的承受能能力，能作作出更快的的動態(tài)響應(yīng)應(yīng)。同步調(diào)速系系統(tǒng)的特點點（續(xù)）返回目錄*8.2他控變頻同同步電動機(jī)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)統(tǒng)與異步電動動機(jī)變壓變變頻調(diào)速一一樣，用獨獨立的變壓壓變頻裝置置給同步電電動機(jī)供電電的系統(tǒng)稱稱作他控變頻調(diào)調(diào)速系統(tǒng)。本節(jié)提要轉(zhuǎn)速開環(huán)恒恒壓頻比控控制的同步步電動機(jī)群群調(diào)速系統(tǒng)統(tǒng)由交-直-交電流型負(fù)負(fù)載換流變變壓變頻器器供電的同同步電動機(jī)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)統(tǒng)由交-交變壓變頻頻器供電的的大型低速速同步電動動機(jī)調(diào)速系系統(tǒng)按氣隙磁場場定向的同同步電動機(jī)機(jī)矢量控制制系統(tǒng)同步電動機(jī)機(jī)的多變量量動態(tài)數(shù)學(xué)學(xué)模型*8.2.1轉(zhuǎn)速開環(huán)恒恒壓頻比控控制的同步步電動機(jī)群群調(diào)速速系統(tǒng)轉(zhuǎn)速開環(huán)恒恒壓頻比控控制的同步步電動機(jī)群群調(diào)速系統(tǒng)統(tǒng)，是一種種最簡單的的他控變頻頻調(diào)速系統(tǒng)統(tǒng)，多用于于化紡工業(yè)業(yè)小容量多多電動機(jī)拖拖動系統(tǒng)中中。這種系統(tǒng)采采用多臺永永磁或磁阻阻同步電動動機(jī)并聯(lián)接接在公共的的變頻器上上，由統(tǒng)一一的頻率給給定信號同同時調(diào)節(jié)各各臺電動機(jī)機(jī)的轉(zhuǎn)速。。系統(tǒng)組成圖8-1多臺同步電電動機(jī)的恒恒壓頻比控控制調(diào)速系系統(tǒng)多臺永永磁或或磁阻阻同步步電動動機(jī)并并聯(lián)接接在公公共的的電壓壓源型型PWM變壓變變頻器器上，，由統(tǒng)統(tǒng)一的的頻率率給定定信號號f*同時調(diào)調(diào)節(jié)各各臺電電動機(jī)機(jī)的轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速。。PWM變壓變變頻器器中，，帶定定子壓壓降補(bǔ)補(bǔ)償?shù)牡暮銐簤侯l比比控制制保證證了同同步電電動機(jī)機(jī)氣隙隙磁通通恒定定，緩緩慢地地調(diào)節(jié)節(jié)頻率率給定定f*可以逐逐漸地地同時時改變變各臺臺電機(jī)機(jī)的轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速。。系統(tǒng)控控制系統(tǒng)特特點系統(tǒng)結(jié)結(jié)構(gòu)簡簡單，，控制制方便便，只只需一一臺變變頻器器供電電，成成本低低廉。。由于采采用開開環(huán)調(diào)調(diào)速方方式，，系統(tǒng)統(tǒng)存在在一個個明顯顯的缺缺點，，就是是轉(zhuǎn)子子振蕩蕩和失失步問問題并并未解解決，，因此此各臺臺同步步電動動機(jī)的的負(fù)載載不能能太大大。*8.2.2由交-直-交電流流型負(fù)負(fù)載換換流變變壓變變頻器器供電電的同同步電電動機(jī)機(jī)調(diào)速速系統(tǒng)統(tǒng)概述大型同同步電電動機(jī)機(jī)轉(zhuǎn)子子上一一般都都具有有勵磁磁繞組組，通通過滑滑環(huán)由由直流流勵磁磁電源源供電電，或或者由由交流流勵磁磁發(fā)電電機(jī)經(jīng)經(jīng)過隨隨轉(zhuǎn)子子一起起旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)的整整流器器供電電。對于經(jīng)經(jīng)常在在高速速運行行的機(jī)機(jī)械設(shè)設(shè)備，，定子子常用用交-直-交電流流型變變壓變變頻器器供電電，其其電機(jī)機(jī)側(cè)變變換器器（即即逆變變器））比給給異步步電動動機(jī)供供電時時更簡簡單，，可以以省去去強(qiáng)迫迫換流流電路路，而而利用用同步步電動動機(jī)定定子中中的感感應(yīng)電電動勢勢實現(xiàn)現(xiàn)換相相。這這樣的的逆變變器稱稱作負(fù)負(fù)載換換流逆逆變器器（Load-commutatedInverter，簡稱稱LCI）。系統(tǒng)組組成圖8-2由交-直-交電流流型負(fù)負(fù)載換換流變變壓變變頻器器供電電的同同步電電動機(jī)機(jī)調(diào)速速系統(tǒng)統(tǒng)系統(tǒng)控控制在圖8-2中，系系統(tǒng)控控制器器的程程序包包括轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速調(diào)調(diào)節(jié)、、轉(zhuǎn)差差控制制、負(fù)負(fù)載換換流控控制和和勵磁磁電流流控制制，F(xiàn)BS是測速速反饋饋環(huán)節(jié)節(jié)。由于變變壓變變頻裝裝置是是電流流型的的，還還單獨獨畫出出了電電流控控制器器（包包括電電流調(diào)調(diào)節(jié)和和電源源側(cè)變變換器器的觸觸發(fā)控控制））。換流問問題LCI同步調(diào)調(diào)速系系統(tǒng)在在起動動和低低速時時存在在換流流問題題，低速時時同步步電動動機(jī)感感應(yīng)電電動勢勢不夠夠大，，不足足以保保證可可靠換換流；；當(dāng)電機(jī)機(jī)靜止止時，，感應(yīng)應(yīng)電動動勢為為零，，根本本就無無法換換流。。解決方方案這時，，須采采用““直流流側(cè)電電流斷斷續(xù)””的特特殊方方法，，使中中間直直流環(huán)環(huán)節(jié)電電抗器器的旁旁路晶晶閘管管導(dǎo)通通，讓讓電抗抗器放放電，，同時時切斷斷直流流電流流，允允許逆逆變器器換相相，換換相后后再關(guān)關(guān)斷旁旁路晶晶閘管管，使使電流流恢復(fù)復(fù)正常常。用這種種換流流方式式可使使電動動機(jī)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速升升到額額定值值的3%~5%，然后后再切切換到到負(fù)載載電動動勢換換流。。8.2.3由交-交變壓壓變頻頻器供供電的的大型型低速速同步步電動動機(jī)調(diào)調(diào)速系系統(tǒng)概述另一類類大型型同步步電動動機(jī)變變壓變變頻調(diào)調(diào)速系系統(tǒng)用用于低低速的的電力力拖動動，例例如無無齒輪輪傳動動的可可逆軋軋機(jī)、、礦井井提升升機(jī)、、水泥泥轉(zhuǎn)窯窯等。。該系統(tǒng)統(tǒng)由交交-交變壓壓變頻頻器（（又稱稱周波波變換換器））供電電，其其輸出出頻率率為20~25Hz（當(dāng)電網(wǎng)網(wǎng)頻率率為50Hz時），，對于于一臺臺20極的同同步電電動機(jī)機(jī)，同同步轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速為為120~150r/min，直接用來拖拖動軋鋼機(jī)機(jī)等設(shè)備是是很合適的的，可以省省去龐大的的齒輪傳動動裝置。系統(tǒng)組成圖8-3由交-交變壓變頻頻器供電的的大型低速速同步電動動機(jī)調(diào)速系系統(tǒng)這類調(diào)速系系統(tǒng)的基本本結(jié)構(gòu)畫在在圖8-3中，可以實實現(xiàn)4象限運行。?？刂破靼葱栊枰梢允鞘浅Ｒ?guī)的，，也可以采采用矢量控控制，后者者在下一小小節(jié)再詳細(xì)細(xì)討論。系統(tǒng)控制*8.2.4按氣隙磁場場定向的同同步電動機(jī)機(jī)矢量量控制系統(tǒng)統(tǒng)1.概述為了獲得高高動態(tài)性能能，同步電電動機(jī)變壓壓變頻調(diào)速速系統(tǒng)也可可以采用矢矢量控制，，其基本原原理和異步步電動機(jī)矢矢量控制相相似，也是是通過坐標(biāo)標(biāo)變換，把把同步電動動機(jī)等效成成直流電動動機(jī)，再模模仿直流電電動機(jī)的控控制方法進(jìn)進(jìn)行控制。。但由于同同步電動機(jī)機(jī)的轉(zhuǎn)子結(jié)結(jié)構(gòu)與異步步電動機(jī)不不同，其矢矢量坐標(biāo)變變換也有自自己的特色色。2.系統(tǒng)模型假定條件（1）假設(shè)是隱隱極電機(jī)，，或者說，，忽略凸極極的磁阻變變化；（2）忽略阻尼尼繞組的效效應(yīng)；（3）忽略磁化化曲線的飽飽和非線性性因素；（4）暫先忽略略定子電阻阻和漏抗的的影響。其他假設(shè)條條件和研究究異步電動動機(jī)數(shù)學(xué)模模型時相同同，見第6.6.2節(jié)。二極同步電機(jī)機(jī)物理模型圖8-4二極同步電動動機(jī)的物理模模型模型描述圖中，定子三三相繞組軸線線A、B、C是靜止的，三三相電壓uA、uB、uC和三相電流iA、iB、iC都是平衡的，，轉(zhuǎn)子以同步步轉(zhuǎn)速1旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子上上的勵磁繞組組在勵磁電壓壓Uf供電下流過勵勵磁電流If。沿勵磁磁極極的軸線為d軸，與d軸正交的是q軸，d-q坐標(biāo)在空間也也以同步轉(zhuǎn)速速1旋轉(zhuǎn)，d軸與A軸之間的夾角角為變量。在同步電動機(jī)機(jī)中，除轉(zhuǎn)子子直流勵磁外外，定子磁動動勢還產(chǎn)生電電樞反應(yīng)，直直流勵磁與電電樞反應(yīng)合成成起來產(chǎn)生氣氣隙磁通，合合成磁通在定定子中感應(yīng)的的電動勢與外外加電壓基本本平衡。同步電動機(jī)磁磁動勢與磁通通的空間矢量量圖示于圖8-5a。同步電機(jī)的空空間矢量1圖8-5同步電動機(jī)近近似的空間矢矢量圖和時間間相量圖a）磁動勢和磁磁通的空間矢矢量圖同步電機(jī)的空空間矢量（續(xù)續(xù)）同步電機(jī)的空空間矢量（續(xù)續(xù)）Ff、f—轉(zhuǎn)子勵磁磁動動勢和磁通，，沿勵磁方向為d軸；Fs—定子三相合成成磁動勢；FR、R—合成的氣隙磁磁動勢和總磁磁通；s—Fs與FR間的夾角；f—Ff與FR間的夾角。圖中：矢量變換將Fs除以相應(yīng)的匝匝數(shù)即為定子子三相電流合合成空間矢量量is，可將它沿M、T軸分解為勵磁磁分量ism和轉(zhuǎn)矩分量ist。同樣，F(xiàn)f與相當(dāng)?shù)膭畲糯烹娏魇噶縄f也可分解成ifm和ift。矢量變換公式式由圖8-5a不難得出下列列關(guān)系式（8-2）（8-3）（8-4）（8-5）（8-6）（8-7）圖8-5b電壓、電流和和磁鏈的時間間相量圖定子電壓方程程在圖8-5b中畫出了定子子一相繞組的的電壓、電流流與磁鏈的時時間相量圖。定子電壓方程程（續(xù)）氣隙合成磁通通R是空間矢量，，R對該相繞組的的磁鏈Rs則是時間相量量，Rs在繞組中感應(yīng)應(yīng)的電動勢Es領(lǐng)先于Rs90°。按照假設(shè)條條件，忽略定定子電阻和漏漏抗，則Es與相電壓Us近似相等，于于是（8-8）電流關(guān)系分析析在圖8-5b中，is是該相電流相相量，它落后后于Us的相角就是同步電動動機(jī)的功率因因數(shù)角。根據(jù)據(jù)電機(jī)學(xué)原理理，R與Fs空間矢量的空空間角差s也就是磁鏈Rs與電流is在時間上的相相角差，因此此=90°s，而且ism和ist也是is相量在時間相相量圖上的分分量。電流關(guān)系分析析（續(xù)）由此可知：定定子電流的勵勵磁分量ism可以從定子電電流is和調(diào)速系統(tǒng)期期望的功率因因數(shù)值求出。。最簡單的情情況是希望cos=1，也就是說，，希望ism=0。這樣，由期望望功率因數(shù)確確定的ism可作為矢量控制系統(tǒng)統(tǒng)的一個給定定值。定子電流方程程以A軸為參考坐標(biāo)標(biāo)軸，則d軸的位置角為為=1dt，可以通過電電機(jī)軸上的位位置傳感器BQ測得（見圖8-6）。于是，定定子電流空間間矢量與A軸的夾角便成為（8-9）定子電流方程程（續(xù)）由的幅值和相相位角可以求求出三相定子子電流（8-10）電磁轉(zhuǎn)矩方程程根據(jù)機(jī)電能量量轉(zhuǎn)換原理，，同步電動機(jī)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩矩可以表達(dá)為為（8-11）定子旋轉(zhuǎn)磁動動勢幅值由式（8-2）及式（8-6）可知（8-12）（8-13）將定子旋轉(zhuǎn)磁動勢勢幅值表達(dá)式（8-12）及式（8-13）代入式（8-11），整理后得（8-14）式中3.同步電機(jī)矢量控控制系統(tǒng)圖8-6同步電動機(jī)基于于電流模型的矢矢量控制系統(tǒng)位置傳感器工作原理同步電動機(jī)矢量量控制系統(tǒng)采用用了和直流電動動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)相相仿的雙閉環(huán)控控制結(jié)構(gòu)。轉(zhuǎn)速控制：ASR的輸出是轉(zhuǎn)矩給給定信號Te*，按照式（8-14），Te*除以磁通模擬信信號R*即得定子電流轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩分量的給定定信號ist*，R*是由磁通給定信信號*經(jīng)磁通滯后模型型模擬其滯后效效應(yīng)后得到的。。磁通和電流控制制（1）*乘以系數(shù)K即得合成勵磁電電流的給定信號號iR*，另外，按功率率因數(shù)要求還可可得定子電流勵勵磁分量給定信信號ism*。（2）將iR*、ist*、ism*和來自位置傳感感器BQ的旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)相位位角一起送入矢量運運算器，按式（（8-7）以及式（8-9）、（8-10）計算出定子三三相電流的給定定信號iA*、iB*、iC*和勵磁電流給定定信號if*。（3）通過ACR和AFR實行電流閉環(huán)控控制，可使實際際電流iA、iB、iC以及If跟隨其給定值變變化，獲得良好好的動態(tài)性能。。當(dāng)負(fù)載變化時時，還能盡量保保持同步電動機(jī)機(jī)的氣隙磁通、、定子電動勢及及功率因數(shù)不變變。*8.2.5同步電動機(jī)的多多變量動態(tài)數(shù)學(xué)學(xué)模型假定條件：如果解除第8.2.4小節(jié)中所作的第第1、2、4三條假定，即考考慮了同步電動動機(jī)的凸極效應(yīng)應(yīng)、阻尼繞組和和定子電阻與漏漏抗，則同步電電動機(jī)的動態(tài)電電壓方程式可寫寫成同步電動機(jī)的動動態(tài)電壓方程式式（8-15）方程說明式中前三個方程程是定子A、B、C三相的電壓方程程，第四個方程程是勵磁繞組直直流電壓方程，，永磁同步電動動機(jī)無此方程，，最后兩個方程程是阻尼繞組的的等效電壓方程程。實際阻尼繞繞組是多導(dǎo)條類類似籠型的繞組組，這里把它等等效成在d軸和q軸各自短路的兩兩個獨立繞組。。所有符號的意意義及其正方向向都和分析異步步電動機(jī)時一致致。坐標(biāo)變換將A-B-C坐標(biāo)系變換到d-q同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系系，并用p表示微分算子，，則三個定子電電壓方程變換成成（8-16）坐標(biāo)變換（續(xù)））三個轉(zhuǎn)子電壓方方程不變，因為為它們已經(jīng)在d-q軸上了，可以改改寫成（8-17）磁鏈方程在兩相同步旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)（d-q）坐標(biāo)系上的磁鏈鏈方程為（8-18）磁鏈方程（續(xù)））式中Lsd—等效兩相定子繞繞組d軸自感，Lsd=Lls+Lmd；Lsq—等效兩相定子繞繞組q軸自感，Lsq=Lls+Lmq；Lls—等效兩兩相定定子繞繞組漏漏感；；Lmd—d軸定子子與轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子繞繞組間間的互互感，，相當(dāng)當(dāng)于同同步電動機(jī)機(jī)原理理中的的d軸電樞樞反應(yīng)應(yīng)電感感；Lmq—q軸定子子與轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子繞繞組間間的互互感，，相當(dāng)當(dāng)于q軸電樞反反應(yīng)電電感；；Lrf—勵磁繞繞組自自感，，Lrf=Llf+Lmd；LrD—d軸阻尼尼繞組組自感感，LrD=LlD+Lmd；LrQ—q軸阻尼尼繞組組自感感，LrQ=LlQ+Lmq；矩陣方方程式式將式（（8-18）代入入式（（8-16）和式式（8-17），整整理后后可得得同步步電動動機(jī)的的電壓壓矩陣陣方程程式（8-19）轉(zhuǎn)矩和和運動動方程程同步電電動機(jī)機(jī)在d-q軸上的的轉(zhuǎn)矩矩和運運動方方程為為（8-20）（8-21）把式（（8-18）中的的和表表達(dá)式式代入入式（（8-20）的轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩方方程并并整理理后得得表達(dá)式式的物物理意意義第一項項npLmdIfiq是轉(zhuǎn)子子勵磁磁磁動動勢和和定子子電樞樞反應(yīng)應(yīng)磁動動勢轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩分分量相相互作作用所所產(chǎn)生生的轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩，，是同同步電電動機(jī)機(jī)主要要的電電磁轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩。。第二項項np(Lsd-Lsq)idiq是由凸凸極效效應(yīng)造造成的的磁阻阻變化化在電電樞反反應(yīng)磁磁動勢勢作用用下產(chǎn)產(chǎn)生的的轉(zhuǎn)矩矩，稱稱作反反應(yīng)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩或或磁阻阻轉(zhuǎn)矩矩，這這是凸凸極電電機(jī)特特有的的轉(zhuǎn)矩矩，在在隱極極電機(jī)機(jī)中，，Lsd=Lsq，該項項為0。表達(dá)式式的物物理意意義（（續(xù)））第三項項np(LmdiDiq–LmqiQid)是電樞樞反應(yīng)應(yīng)磁動動勢與與阻尼尼繞組組磁動動勢相相互作作用的的轉(zhuǎn)矩矩，如如果沒沒有阻阻尼繞繞組，，或者者在穩(wěn)穩(wěn)態(tài)運運行時時阻尼尼繞組組中沒沒有感感應(yīng)電電流，，該項項都是是零，，只有有在動動態(tài)中中，產(chǎn)產(chǎn)生阻阻尼電電流，，才有有阻尼尼轉(zhuǎn)矩矩，幫幫助同同步電電動機(jī)機(jī)盡快快達(dá)到到新的的穩(wěn)態(tài)態(tài)。返回目錄8.3自控變變頻同同步電電動機(jī)機(jī)調(diào)速速系統(tǒng)統(tǒng)本節(jié)摘摘要基本結(jié)結(jié)構(gòu)與與原理理梯形波波永磁磁同步步電動動機(jī)（（無刷刷直流流電動動機(jī)））的自自控變變頻調(diào)調(diào)速系系統(tǒng)正弦波波永磁磁同步步電動動機(jī)的的自控控變頻頻調(diào)速速系統(tǒng)統(tǒng)8.3.0基本結(jié)結(jié)構(gòu)與與原理理圖8-7自控變頻同步電電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖基本結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)特點（1）在電動機(jī)軸端端裝有一臺轉(zhuǎn)子子位置檢測器BQ（見圖8-7），由它發(fā)出的的信號控制變壓壓變頻裝置的逆逆變器UI換流，從而改變變同步電動機(jī)的的供電頻率，保保證轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與與供電頻率同步步。調(diào)速時則由由外部信號或脈脈寬調(diào)制（PWM）控制UI的輸入直流電壓壓。結(jié)構(gòu)特點（續(xù)））（2）從電動機(jī)本身看看，它是一臺同同步電動機(jī)，但但是如果把它和和逆變器UI、轉(zhuǎn)子位置檢測器器BQ合起來看，就象象是一臺直流電電動機(jī)。直流電電動機(jī)電樞里面面的電流本來就就是交變的，只只是經(jīng)過換向器器和電刷才在外外部電路表現(xiàn)為為直流，這時，，換向器相當(dāng)于于機(jī)械式的逆變變器，電刷相當(dāng)當(dāng)于磁極位置檢檢測器。這里，，則采用電力電電子逆變器和轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子位置檢測器器替代機(jī)械式換換向器和電刷。。自控變頻同步電電動機(jī)的分類自控變頻同步電電動機(jī)在其開發(fā)發(fā)與發(fā)展的過程程中，曾采用多多種名稱，有的的至今仍習(xí)慣性性地使用著，它它們是：無換向器電動機(jī)機(jī)三相永磁同步電電動機(jī)（輸入正正弦波電流時））無刷直流電動機(jī)機(jī)（采用方波電電流時）永磁電動機(jī)控制制系統(tǒng)的優(yōu)點由于采用了永磁磁材料磁極，特特別是采用了稀稀土金屬永磁，，因此容量相同同時電機(jī)的體積積小、重量輕；；轉(zhuǎn)子沒有銅損和和鐵損，又沒有有滑環(huán)和電刷的的摩擦損耗，運運行效率高；轉(zhuǎn)動慣量小，允允許脈沖轉(zhuǎn)矩大大，可獲得較高高的加速度，動動態(tài)性能好；結(jié)構(gòu)緊湊，運行行可靠。8.3.1梯形波永磁同步步電動機(jī)（無刷刷直流電動動機(jī)））的自控變頻調(diào)調(diào)速系統(tǒng)1.概述無刷直流電動機(jī)機(jī)實質(zhì)上是一種種特定類型的同同步電動機(jī)，調(diào)調(diào)速時只在表面面上控制了輸入入電壓，實際上上也自動地控制制了頻率，仍屬屬于同步電動機(jī)機(jī)的變壓變頻調(diào)調(diào)速。電動勢與電流波波形永磁無刷直流電電動機(jī)的轉(zhuǎn)子磁磁極采用瓦形磁磁鋼，經(jīng)專門的的磁路設(shè)計，可可獲得梯形波的的氣隙磁場，定定子采用集中整整距繞組，因而而感應(yīng)的電動勢勢也是梯形波的的。由逆變器提供與與電動勢嚴(yán)格同同相的方波電流流，同一相（例例如A相）的電動勢eA和電流波iA形圖如圖8-8所示。電動勢與電流波波形（續(xù)）圖8-8梯形波永磁同步步電動機(jī)的電動動勢與電流波形形圖eAiAIPEPiAeAOt由于各相電流都都是方波，逆變變器的電壓只須須按直流PWM的方法進(jìn)行控制制，比各種交流流PWM控制都要簡單得得多，這是設(shè)計計梯形波永磁同同步電動機(jī)的初初衷。然而由于繞組電電感的作用，換換相時電流波形形不可能突跳，，其波形實際上上只能是近似梯梯形的，因而通通過氣隙傳送到到轉(zhuǎn)子的電磁功功率也是梯形波波。轉(zhuǎn)矩脈動如圖8-9所示，實際的轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩波形每隔60°都出現(xiàn)一個缺口口，而用PWM調(diào)壓調(diào)速又使平平頂部分出現(xiàn)紋紋波，這樣的轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩脈動使梯形形波永磁同步電電動機(jī)的調(diào)速性性能低于正弦波波的永磁同步電電動機(jī)。轉(zhuǎn)矩脈動（續(xù)））圖8-9梯形波永磁同步步電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩矩脈動逆變器電路圖8-10梯形波永磁同步步電動機(jī)的等效效電路及逆變器器主電路原理圖圖2.穩(wěn)態(tài)模型逆變器工作方式式由三相橋式逆變變器供電的Y接梯形波永磁同同步電動機(jī)的等等效電路及逆變變器主電路原理理圖如圖8-10所示，逆變器通通常采用120°導(dǎo)通型的，當(dāng)兩兩相導(dǎo)通時，另另一相斷開。對于梯形波的電電動勢和電流，，不能簡單地用用矢量表示，因因而旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變變換也不適用，，只好在靜止的的ABC坐標(biāo)上建立電機(jī)機(jī)的數(shù)學(xué)模型。。當(dāng)電動機(jī)中點與與直流母線負(fù)極極共地時，電動動機(jī)的電壓方程程可以用下式表表示電壓方程電壓方程（續(xù)））——三相輸入對地電電壓；——三相電流；——三相電動勢；——定子每相電阻；；——定子每相繞組的的自感；——定子任意兩相繞繞組間的互感。。（8-22）式中uA、uB、uCiA、iB、iCeA、eB、eCRsLsLm電壓方程（續(xù)））由于三相定子繞繞組對稱，故有有iA+iB+iC=0則LmiB+LmiC=-LmiALmiC+LmiA=-LmiBLmiA+LmiB=-LmiC電壓方程（續(xù)續(xù)）代入式（8-22），并整理后后得（8-23）轉(zhuǎn)矩方程設(shè)圖8-8中方波電流的的峰值為Ip，梯形波電動動勢的峰值為為Ep，在一般情況況下，同時只只有兩相導(dǎo)通通，從逆變器器直流側(cè)看進(jìn)進(jìn)去，為兩相相繞組串聯(lián)，，則電磁功率率為Pm=2EpIp。忽略電流換換相過程的影影響，電磁轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩為（8-24）式中p—梯形波勵磁磁磁鏈的峰值，，是恒定值。。由此可見，梯梯形波永磁同同步電動機(jī)（（即無刷直流流電動機(jī)）的的轉(zhuǎn)矩與電流流成正比，和和一般的直流流電動機(jī)相當(dāng)當(dāng)。這樣，其控制制系統(tǒng)也和直直流調(diào)速系統(tǒng)統(tǒng)一樣，要求求不高時，可可采用開環(huán)調(diào)調(diào)速，對于動動態(tài)性能要求求較高的負(fù)載載，可采用雙雙閉環(huán)控制系系統(tǒng)。注意無論是開環(huán)還還是閉環(huán)系統(tǒng)統(tǒng)，都必須具具備轉(zhuǎn)子位置置檢測、發(fā)出出換相信號、、調(diào)速時對直直流電壓的PWM控制等功能?！，F(xiàn)已生產(chǎn)出專專用的集成化化芯片，比如如：MC33033、MC33035等。3.動態(tài)模型動態(tài)電壓方程程不考慮換相過過程及PWM波等因素的影影響，當(dāng)圖8-10中的VT1和VT6導(dǎo)通時，A、B兩相導(dǎo)通而C相關(guān)斷，則可得無刷直流流電動機(jī)的動動態(tài)電壓方程程為（8-25）動態(tài)模型（續(xù)續(xù)）在上式中，(uA–uB)是A、B兩相之間輸入入的平均線電電壓，采用PWM控制時,設(shè)占空比為，則uA–uB=Ud，于是，式（（8-25）可改寫成（8-26）式中為電樞漏磁時時間常數(shù)。轉(zhuǎn)矩和電力拖拖動系統(tǒng)運動動方程根據(jù)電機(jī)和電電力拖動系統(tǒng)統(tǒng)基本理論，，可知（8-27）（8-28）（8-29）無刷直流電動動機(jī)的動態(tài)結(jié)結(jié)構(gòu)圖圖8-11無刷直流電動動機(jī)的動態(tài)結(jié)結(jié)構(gòu)圖8.3.2正弦波永磁同同步電動機(jī)的的自控變頻調(diào)調(diào)速系系統(tǒng)正弦波永磁同同步電動機(jī)具具有定子三相相分布繞組和和永磁轉(zhuǎn)子，，在磁路結(jié)構(gòu)構(gòu)和繞組分布布上保證定子子繞組中的感感應(yīng)電動勢具具有正弦波形形，外施的定定子電壓和電電流也應(yīng)為正正弦波，一般般靠交流PWM變壓變頻器提提供。1.轉(zhuǎn)子磁鏈定向向控制模型正弦波永磁同同步電動機(jī)一一般沒有阻尼尼繞組，轉(zhuǎn)子子磁通由永久久磁鋼決定，，是恒定不變變的，可采用用轉(zhuǎn)子磁鏈定定向控制，即即將兩相旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的d軸定在轉(zhuǎn)子磁磁鏈r方向上，無須須再采用任何何計算磁鏈的的模型。磁鏈方程其在d-q坐標(biāo)上的磁鏈鏈方程簡化為為（8-30）電壓方程式（8-19）的電壓方程程簡化為（8-31）轉(zhuǎn)矩方程式（8-20）的轉(zhuǎn)矩方程程變成（8-32）式中后一項是是磁阻轉(zhuǎn)矩，，正比于Lsd與Lsq之差。基頻以下調(diào)速速時的電機(jī)模模型在基頻以下的的恒轉(zhuǎn)矩工作作區(qū)中，控制制定子